Sabina Hudakova

Chromosome analysis in barley: DNA composition and organization of centromeres and the upper chromosome size limit

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 06.02.2003

Abstract
Die Sequenzorganisation von zentromerischer DNA der Gerste wurde über Sequenzierung, Fingerprinting und in situ Hybridisierung eines 'large insert'-Klones (BAC 7) aufgeklärt. Das 23 kb-Insert enthält 3 Kopien des Ty3/gypsy-ähnlichen Retroelements cereba und zusätzlich G+C-reiche Satellitensequenzen.
Zwei tandemartig angeordnete cereba-Elemente (je ~7kb) enthalten LTRs (je ~1kb) mit hoher Ähnlichkeit zur 'cereal centromeric sequence'-Familie als auch die komplette Polygenregion. Die hohe Dichte (~200 Elemente pro Zentromer) und Vollständigkeit der cereba-Elemente sind eine Besonderheit der Gerstezentromeren im Vergleich zu anderen Getreiden. Die konservierten cereba-Elemente und die Gerste-spezifischen G+C-reichen Satellitensequenzen bilden die wesentlichen Bestandteile der zentromerischen DNA von Gerste.
Zur Feststellung der oberen Toleranzgrenze für die Chromosomenlänge in Gerste wurde der Einfluss rekombinant verlängerter Chromosomenarme auf die Kernteilung untersucht. Die Regel, wonach die Hälfte der durchschnittlichen Spindelachsenlänge während der mitotischen Telophase die obere Toleranzgrenze für die Chromosomenarmlänge definiert, wurde bestätigt.
Ein etwas längerer Chromosomenarm verursachte unvollständige Trennung der Schwesterchromatiden in ~30% der Telophasezelle. Mehr als 2,5% Tochterzellen mit Kleinkern waren das Ergebnis der Durchtrennung unvollständig separierter Schwesterchromatidenarme durch die neugebildete Zellwand.
Homozygotes Vorliegen des verlängerten Chromosomenarmes bewirkte verlangsamtes Wachstum und reduzierte Fertilität der betroffenen Pflanzen. Die meiotische Übertragung blieb hingegen unbeeinflusst, da Meiozyten im Vergleich zu mitotischen Zellen deutlich längeren Spindelachsen aufweisen.

By sequencing, fingerprinting and in situ hybridization of a centromere-specific large insert clone (BAC 7), the sequence organization of centromeric DNA of barley could be elucidated. The 23 kb clone insert harbours three copies of the Ty3/gypsy-like retroelement cereba and G+C-rich satellite sequence. Two cereba elements (~7 kb) are arranged in tandem and include LTRs (~1 kb) similar to the 'cereal centromeric sequence' family, as well as the complete Ty3/gypsy-like polygene region. The high density (~200 elements/centromere) and completeness of cereba elements represent unique features of the barley centromeres as compared to those of other cereals. Obviously, the conserved cereba elements together with barley-specific G+C-rich satellite sequences constitute the major components of centromeric DNA in this species.
As to the upper chromosome size limit in barley, the influence of recombinantly elongated chromosome arms on nuclear divisions in barley was tested and confirmed a rule according to which half the length of the average spindle axis defines the upper tolerance limit for chromosome arm length. A slightly longer chromosome arm caused incomplete separation of sister chromatids (~30%) of mitotic telophase cells and >2.5% of daughter cells showing a micronucleus, due to disruption of non-separated sister chromatids by the newly forming cell wall. In homozygous condition, this elongated chromosome mediated a slower growth and reduced fertility of the carrier plants. Its meiotic transmission was not impaired because of the larger spindle dimensions in meiocytes as compared to those in mitotic cells.

Keywords:
Gerste, Zentromere, Retroelement, Sequenzorganisation, Fluoreszenz in situ Hybridisierung, Chromosomenarmlänge, Zellkernteilung, Schwesterchromatiden separation, Kleinkern

Barley, Centromere, Retroelement, Sequence organization, Fluorescent in situ hybridization, Chromosome arm length, Nuclear division, Sister chromatid separation, Micronuclei

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Inhaltsverzeichnis
Titlepage, Acknowledgement, Content, List of abbreviations
1 Introduction (1-11)
2 Materials and Methods (12-18)
3 Results & Discussion (19-44)
4 Summary (45-47)
5 Zusammenfassung (48-50)
6 Literature (51-64)
Publications in connection with the submitted dissertation (65)